2022届高考物理一轮复习第14单元机械振动机械波光电磁波与相对论4光的干涉与衍射电磁波相对论学案新人教版

word 文档 - 1 - / 22 第 4 讲 光的干涉与衍射 电磁波 相对论 知识点一 光的干涉、衍射和偏振 1．光的干涉 (1)定义：在两列光波叠加的区域，某些区域相互加强，出现________条纹，某些区域相互 减弱，出现________条纹，且加强区域和减弱区域相互间隔的现象． (2)条件：两束光的频率________、相位差恒定． (3)双缝干涉图样特点：单色光照射时，形成明暗相间的等间距的干涉条纹；白光照射时， 中央为________条纹，其余为________条纹． 2．薄膜干涉 (1)相干光：光照射到透明薄膜上，从________的两个表面反射的两列光波． (2)图样特点：同双缝干涉，同一条亮(或暗)纹对应薄膜的厚度________．单色光照射薄膜 时形成明暗相间的条纹，白光照射薄膜时，形成彩色条纹． 3．光的衍射 (1)发生明显衍射的条件：只有当障碍物的尺寸与光的波长________，甚至比光的波长 ________的时候，衍射现象才会明显． (2)衍射条纹的特点 word 文档 - 2 - / 22 4．光的偏振 (1)自然光：包含着在垂直于传播方向上沿________振动的光，而且沿着各个方向振动的光 波的强度都相同． (2)偏振光：在垂直于光的传播方向的平面上，只沿着某个________的方向振动的光． (3)偏振光的形成 ①让自然光通过________形成偏振光． ②让自然光在两种介质的界面发生反射和________，反射光和折射光可以成为部分偏振光 或完全偏振光． (4)光的偏振现象说明光是一种横波． 知识点二 光的偏振现象 1．偏振：光波只沿________的方向振动． 2．自然光：太阳、电灯等普通光源发出的光，包括在垂直于传播方向上沿________振动 的光，而且沿各个方向振动的光波的________都相同，这种光叫做自然光． 3．偏振光：在________于传播方向的平面上，只沿某个特定方向振动的光．光的偏振证 明光是________．自然光通过偏振片后，就得到了偏振光． 4．偏振光的应用：应用于照相机镜头、________、消除车灯眩光等． 知识点三 电磁波 1．产生：电磁场(电磁能量)由近及远地向周围传播形成电磁波． (1)电磁波是________(选填“纵波”或“横波”)，在空间传播不需要________． (2)真空中电磁波的速度为________． word 文档 - 3 - / 22 (3)公式 v＝λf 对电磁波同样适用． (4)电磁波能产生反射、________、干涉和________等现象． 2．电磁波的发射 (1)发射条件：足够高的振荡频率和________电路． (2)调制分类：________和________． 3．电磁波的接收 (1)调谐：使接收电路产生________的过程． (2)解调：使声音或图象信号从高频电流中还原出来的过程． 4．电磁波谱 按电磁波的波长从长到短分布是________、红外线、可见光、紫外线、X 射线和γ射线， 形成电磁波谱． 知识点四 狭义相对论的基本假设 质能关系 1．狭义相对论的两个基本假设 (1)狭义相对性原理 在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是________． (2)光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中都是________，光速与光源、观测者间的相对运动没 有关系． 2．质能关系 word 文档 - 4 - / 22 用 m 表示物体的质量，E 表示它具有的能量，则爱因斯坦质能方程为：E＝________. 思考辨析 (1)光的颜色由光的频率决定．( ) (2)只有频率相同的两列光波才能产生干涉．( ) (3)在“双缝干涉”实验中，双缝的作用是使白光变成单色光．( ) (4)阳光下茂密的树林中，地面上的圆形亮斑是光的衍射形成的．( ) (5)自然光是偏振光．( ) (6)电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场．( ) (7)无线电波不能发生干涉和衍射现象．( ) (8)波长不同的电磁波在本质上完全不同．( ) (9)真空中的光速在不同惯性参考系中是相同的．( ) 教材改编 [人教版选修 3－4·P62·T1、T2、T3，P61·做一做改编](多选)下列说法正确的是( ) A．通过两支铅笔的狭缝平行对着日光灯管，会看到彩色条纹，这是光的衍射现象 B．减小游标卡尺两个卡脚之间狭缝的宽度，单色线光源通过狭缝产生的衍射条纹中央亮 纹变窄 C．太阳光通过三角形孔，当孔缩小时，先形成三角形光斑，最后形成太阳的像 D．透过羽毛观察白炽灯，会看到彩色光晕，这是光的衍射 word 文档 - 5 - / 22 E．减小不透光的挡板上的狭缝宽度，单色线光源通过狭缝产生的衍射现象更明显 考点一 光的干涉现象 师生共研 题型 1|双缝干涉 1．条纹间距公式：Δx＝ λ，对同一双缝干涉装置，光的波长越长，干涉条纹的间距越大． 2．明暗条纹的判断方法：如图所示，相干光源 S1、S2 发出的光到屏上 P′点的路程差为Δ r＝r2－r1. 当Δr＝kλ(k＝0,1,2…)时，光屏上 P′处出现明条纹．当Δr＝(2k＋1) (k＝0,1,2…)时，光屏 上 P′处出现暗条纹． 例 1 如图所示，在“杨氏双缝干涉”的实验中，激光的波长为 5. 30×10－7 m，屏上 P 点距双缝 S1 和 S2 的路程差为 7.95×10－7 m，则在 P 点出现的应是________(选填“明条纹” 或“暗条纹”)．现改用波长为 6.30×10－7 m 的激光进行上述实验，保持其他条件不变，则 屏上的条纹间距将________(选填“变宽”“变窄”或“不变”)． word 文档 - 6 - / 22 题型 2|薄膜干涉 1．形成原因： 如图所示，竖直的肥皂薄膜，由于重力的作用，形成上薄下厚的楔形．光照射到薄膜上 时，在膜的前表面 AA′和后表面 BB′分别反射回来，形成两列频率相同的光波，并且叠加． 2．明暗条纹的判断方法：两个表面反射回来的两列光波的路程差Δr.在 P1、P2 处，Δr＝ nλ(n＝0,1,2,3…)．薄膜上出现明条纹．在 Q 处，Δr＝(2n＋1) (n＝0,1,2,3…)，薄膜上出现 暗条纹． 例 2 (多选)如图所示为一竖直的肥皂膜的横截面，用单色光照射薄膜，在薄膜上产生明暗 相间的条纹，下列说法正确的是( ) A．薄膜上的干涉条纹是竖直的 B．薄膜上的干涉条纹是水平的 C．用蓝光照射薄膜所产生的干涉条纹的间距比用红光照射时的小 D．干涉条纹是光线在薄膜前、后两表面反射形成的两列光波叠加的结果 E．干涉条纹的间距是不相等的 word 文档 - 7 - / 22 练 1 下列现象中涉及光的干涉原理的是________． 练 2 (多选)在双缝干涉实验中，用绿色激光照射在双缝上，在缝后的屏幕上显示出干涉 图样．若要增大干涉图样中两相邻亮条纹的间距，可选用的方法是( ) A．改用红色激光 B．改用蓝色激光 C．减小双缝间距 D．将屏幕向远离双缝的位置移动 E．将光源向远离双缝的位置移动 练 3 (1)杨氏干涉实验证明光的确是一种波，一束单色光投射在两条相距很近的狭缝上， 两狭缝就成了两个光源，它们发出的光波满足干涉的必要条件，则两列光的____________相 同．如图所示，在这两列光波相遇的区域中，实线表示波峰，虚线表示波谷，如果放置光屏， 在________(选填“A”“B”或“C”)点会出现暗条纹． (2)在上述杨氏干涉实验中，若单色光的波长λ＝5.89×10－7 m，双缝间的距离 d＝1 mm， word 文档 - 8 - / 22 双缝到屏的距离 l＝2 m．求第 1 个亮条纹到第 11 个亮条纹的中心间距． 考点二 光的衍射和偏振现象 自主演练 1．对光的衍射的理解 (1)干涉和衍射是波的特征，波长越长，干涉和衍射现象越明显．在任何情况下都可以发 生衍射现象，只是明显与不明显的差别． (2)衍射现象说明“光沿直线传播”只是一种特殊情况，只有在光的波长比障碍物小得多 时，光才可以看作是沿直线传播的． 2．自然光与偏振光的比较 自然光(非偏振光) 偏振光 光的来源 直接从光源发出的光 自然光通过偏振片后的光 光的振动 方向 在垂直于光的传播方向的平面内，光振 动沿任意方向，且沿各个方向光振动的 强度相同 在垂直于光的传播方向的平面内，光振 动沿特定方向 3.偏振光的应用：照相机镜头、液晶显示器、立体电影、消除车灯眩光等． word 文档 - 9 - / 22 [多维练透] 1．(多选)关于光现象及其应用，下列说法正确的是( ) A．全息照片用激光来拍摄，主要是利用了激光相干性高的特点 B．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹，这是光的偏振现象 C．拍摄玻璃橱窗内的物品时，在镜头前加装一个偏振片可以减小玻璃表面反射光的强度 D．当观察者向静止的光源运动时，观察者接收到的光波频率低于光源的频率 E．一束单色光由空气射入玻璃，这束光的速度变慢，波长变短 2．(多选)光的偏振现象说明光是横波．下列现象中能反映光的偏振特性的是( ) A．一束自然光相继通过两个偏振片，以光束为轴旋转其中一个偏振片，透射光的强度发 生变化 B．一束自然光入射到两种介质的分界面上，当反射光线与折射光线之间的夹角恰好是 90° 时，反射光是偏振光 C．日落时分，拍摄水面下的景物，在照相机镜头前装上偏振滤光片可以使景像更清晰 D．通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色干涉条纹 E．阳光在水面的反射光是自然光 3．(多选)对如图所示的图片、示意图或实验装置，下列判断准确无误的是( ) word 文档 - 10 - / 22 A．甲图是小孔衍射的图样，也被称为“泊松亮斑” B．乙图是薄膜干涉的应用，用来检测平面的平整程度 C．丙图是双缝干涉原理图，若 P 到 S1、S2 的路程差是半波长的偶数倍，则 P 处是亮纹 D．丁图是薄膜干涉现象的实验装置图，在附有肥皂膜的铁丝圈上，出现竖直干涉条纹 E．戊图是振动图象，其振幅为 8 cm，振动周期为 4 s 考点三 实验：用双缝干涉测光的波长 师生共研 1．基本原理与操作 装置及器材 操作要领 word 文档 - 11 - / 22 (1)安装：将光源、滤光片、单缝、双缝、遮光 筒、毛玻璃屏依次安放在光具座上． (2)调节：接好光源，打开开关，使白炽灯正常 发光．调节各部件的中心在同一高度． (3)测量头读数：应使测量头分划板中心刻线和 条纹的中心对齐，读出手轮上的读数. 2.数据处理与分析： (1)数据处理 用刻度尺测量出双缝到光屏间的距离 l，由公式Δx＝ λ得λ＝ Δx 计算波长，重复测量、 计算，求出波长的平均值． (2)误差分析 ①测条纹间距Δx 时带来误差． ②测量双缝到光屏间距离 l 时产生误差． (3)注意事项 ①保证灯丝、单缝、双缝、测量头与遮光筒共轴． ②保持单缝和双缝平行． 例 3 [2019·全国Ⅱ卷，34(2)]某同学利用图示装置测量某种单色光的波长．实验时，接通 电源使光源正常发光：调整光路，使得从目镜中可以观察到干涉条纹．回答下列问题： word 文档 - 12 - / 22 (ⅰ)若想增加从目镜中观察到的条纹个数，该同学可________________； A．将单缝向双缝靠近 B．将屏向靠近双缝的方向移动 C．将屏向远离双缝的方向移动 D．使用间距更小的双缝 (ⅱ)若双缝的间距为 d，屏与双缝间的距离为 l，测得第 1 条暗条纹到第 n 条暗条纹之间 的距离为Δx，则单色光的波长λ＝____________； (ⅲ)某次测量时，选用的双缝的间距为 0.300 mm，测得屏与双缝间的距离为 1.20 m， 第 1 条 暗 条 纹 到 第 4 条 暗 条 纹 之 间 的 距 离 为 7.56 mm. 则 所 测 单 色 光 的 波 长 为 ________________nm(结果保留 3 位有效数字)． 练 4 在“用双缝干涉测光的波长”实验中，光具座上放置的光学元件依次为光源、透镜、 M、N、P、遮光筒、毛玻璃、放大镜，如图 1 所示． (1)M、N、P 三个光学元件依次为________． A．滤光片、单缝、双缝 B．单缝、滤光片、双缝 C．单缝、双缝、滤光片 D．滤光片、双缝、单缝 (2)分划板在图 2 中 A、B 位置时游标卡尺读数 xA＝11.1 mm，xB＝________ mm，相邻 两条纹间距Δx＝________ mm. word 文档 - 13 - / 22 练 5 现有毛玻璃屏 A、双缝 B、白光光源 C、单缝 D、透红光的滤光片 E 等光学元件， 要把它们放在图甲所示的光具座上组装成双缝干涉装置，用以测量红光的波长． (1)本实验的步骤有： ①调节单缝与双缝的间距为 5～10 cm，并使单缝与双缝相互平行； ②按合理顺序在光具座上放置各光学元件，并使各元件的中心位于遮光筒的轴线上； ③取下遮光筒右侧的元件，打开光源，调节光源高度，使光束能直接沿遮光筒轴线把屏 照亮； ④用米尺测出双缝到屏的距离；用测量头(读数方法同螺旋测微器)测量数条亮纹间的距 离； ⑤将测得的数据代入公式求出红光的波长． 以上步骤合理的顺序是________．(只填步骤代号) word 文档 - 14 - / 22 (2)将测量头的分划板中心刻线与某条亮纹中心对齐，将该亮纹定为第 1 条亮纹，此时手 轮上的示数如图乙所示；同方向转动测量头，使分划板的中心刻线与第 5 条亮纹中心对齐， 此时手轮上的示数如图丙所示．则图乙中手轮上的示数是________ mm；图丙中手轮上的示数 是________ mm. (3)已知双缝到屏的距离为 0.500 m，使用的双缝间距为 2.8×10－4 m，由此可求得所测 红光波长为λ＝______ m(结果保留三位有效数字)． 考点四 电磁场和电磁波 相对论 自主演练 1．对麦克斯韦电磁场理论的理解 2．电磁波谱的特性及应用 电磁波谱 特性 应用 递变规律 无线电波 容易发生衍射 通信和广播 红外线 热效应 红外线遥感 可见光 引起视觉 照明等 word 文档 - 15 - / 22 紫外线 荧光效应，能杀 菌 灭菌消毒、防伪 X 射线 穿透能力强 医用透视、安检 γ射线 穿透能力很强 工业探伤、医用 治疗 机械波 电磁波 产生 质点的振动 周期性变化的电磁场 传播 介质 传播需要介质 传播不需要介质 波速 由介质决定，与频率无关 与介质及频率都有关 类型 横波或纵波 横波 [多维练透] 4．(多选)关于电磁波，下列说法正确的是( ) A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关 B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直 word 文档 - 16 - / 22 D．利用电磁波传递信号可以实现无线通信，但电磁波不能通过电缆、光缆传输 E．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失 5．(多选)关于电磁波谱，下列说法中正确的是( ) A．X 射线对生命物质有较强的作用，过量的 X 射线辐射会引起生物体的病变 B．γ射线是波长最短的电磁波，它比 X 射线的频率还要高 C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射 D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线 E．在电磁波谱中，无线电波一般可用于通信 6．[2020·某某七校联考](多选)下列说法正确的是( ) A．波的传播过程中，质点的振动频率等于波源的振动频率 B．爱因斯坦狭义相对论指出，真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的 C．当某列声波产生多普勒效应时，相应声源的振动频率一定发生变化 D．物体做受迫振动时，驱动力的频率越高，受迫振动的物体振幅越大 E．X 射线的频率比无线电波的频率高 第 4 讲 光的干涉与衍射 电磁波 相对论 基础落实 知识点一 word 文档 - 17 - / 22 1．(1)亮 暗 (2)相同 (3)白色亮 彩色 2．(1)薄膜 (2)相等 3．(1)相差不多 还小 4．(1)一切方向 (2)特定(3)①偏振片 ②折射 知识点二 1．某一特定 2．一切方向 强度 3．垂直 横波 4．立体电影 知识点三 1．(1)横波 介质 (2)c＝3×108 m/s (4)折射 衍射 2．(1)开放 (2)调幅 调频 3．电谐振 4．无线电波 知识点四 1．(1)相同的 (2)相同的 word 文档 - 18 - / 22 2．mc2 思考辨析 (1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)× (7)× (8)× (9)√ 教材改编 答案：ADE 考点突破 例 1 解析：因为 7.95 × 10 − 7 5.30 × 10 − 7 ＝ 3 ，即 P 点距双缝的路程差为半波长的奇数倍，所以 P 点出现 的是暗条纹．根据干涉条纹间距公式Δx＝ l d λ可知，当单色光的波长变长时，干涉条纹间距变 宽． 答案：暗条纹 变宽 例 2 解析：光在肥皂膜的前、后表面反射形成相干光，其波程差与薄膜厚度有关，在重 力作用下，肥皂膜形成上薄下厚的的楔形，在同一水平面上厚度相等，形成亮纹(或暗纹)，因 此，干涉条纹应是水平的，故选项 A 错误，选项 B、D 正确；蓝光的波长小于红光的波长， 因此用蓝光照射薄膜所产生的干涉条纹的间距比红光的小，故 C 正确；干涉条纹间距是相等 的，选项 E 错误． 答案：BCD 练 1 解析：内窥镜中的光导纤维利用的是全反射的原理，A 错误；全息照相利用的是光 word 文档 - 19 - / 22 的干涉原理，B 正确；镜头玻璃的颜色利用的是薄膜干涉原理，C 正确；D 是光的衍射现象， D 错误． 答案：BC 练 2 解析：在双缝干涉实验中相邻亮条纹的间距Δx＝ l d λ，因此要增大干涉图样中两相邻 亮条纹的间距可减小双缝间的距离，增大屏幕与双缝的距离，换用波长更长或频率更小的光 做光源．故选 A、C、D. 答案：ACD 练 3 解析：(1)要形成光的干涉，两列光的频率应该相同，在题图所示的干涉区域放置 光屏，波峰与波谷相遇的 C 点会出现暗纹． (2)相邻的亮条纹的中心间距Δx＝ l d λ 由题意知，亮条纹的数目 n＝10 则第 1 个亮条纹到第 11 个亮条纹的中心间距 L＝ nl λ d 代入数据得 L＝1.178×10－2 m. 答案：(1)频率 C (2)1.178×10－2 m 1．解析：通过手指间的缝隙观察日光灯，可以看到彩色条纹，这是光的衍射现象，选项 B 错误；当观察者向静止的光源运动时，观察者接收到的光波频率高于光源的频率，选项 D 错误． 答案：ACE word 文档 - 20 - / 22 2．解析：在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定方向振动的光是偏振光，选项 A、 B 反映了光的偏振特性；选项 C 是偏振现象的应用；选项 D 是光的衍射现象，D 项错误；阳 光在水面的反射光是偏振光，故选项 E 错误． 答案：ABC 3．解析：题图甲是小孔衍射的图样，但不是“泊松亮斑”，故 A 错．题图丁是薄膜干涉 现象的实验装置图，但其干涉条纹应为水平的，故 D 错． 答案：BCE 例 3 解析：本题是“利用双缝干涉测光的波长”实验．考查了学生的实验能力，培养了 学生实事求是的科学态度，建立了结果来源于实验的价值观． (ⅰ)增加目镜中观察到的条纹个数必须要减小条纹间距，由公式Δx＝ l d λ可知 B 正确． (ⅱ)由于第 1 条暗条纹到第 n 条暗条纹之间的距离为Δx，则相邻两条暗条纹的中心间距Δ x′＝ Δ x n − 1 ，单色光的波长λ＝Δ x ' d l ＝ Δ x · d n − 1 l . (ⅲ)λ＝ Δ x · d n − 1 l ＝ 7.56 × 10 − 3 × 0.300 × 10 − 3 4 − 1 × 1.0 m＝6.30×10－7 m＝630 nm. 答案：(ⅰ)B (ⅱ) Δ x · d n − 1 l (ⅲ)630 练 4 解析：(1)为了获取单色的线光源，透镜后面应放置滤光片、单缝，单缝形成的相 干线光源产生的光经过双缝产生干涉现象，因此，M、N、P 三个光学元件依次为滤光片、单 缝、双缝，A 正确． (2)B 位置的读数 xB＝15 mm＋2×0.1 mm＝15.2 mm， word 文档 - 21 - / 22 所以Δx＝ 15. − 11.1 6 mm≈0.7 mm. 练 5 解析：(1)为获取单色线光源，白色光源后面要有滤光片、单缝、双缝，所以步骤 合理的顺序为③②①④⑤. 读数为5.5 mm，可动刻度读数为0.01×38.0 mm＝0.380 mm，则最终读数为5.880 mm. (3)相邻亮纹的间距Δx＝ 5.880 − 1.130 4 x＝ l d λ得，λ＝ d Δ x l ＝ 1.187 5 × 10 − 3 × .8 × 10 − 4 0.500 m＝6.65×10－ 7m． 答案：(1)③②①④⑤ (2)1.130 5.880 (3)6.65×10－7 4．解析：电磁波在真空中的传播速度为光速，A 选项正确；电磁波是由周期性变化的电 场和磁场相互激发产生的，B 选项正确；传播速度方向、电场方向、磁场方向三者两两垂直， C 选项正确；电磁波可以通过光缆传播，D 选项错误；当电磁振荡消失后，电磁波可继续传播， E 选项错误． 答案：ABC 5．解析：紫外线比紫光的波长短，更不容易发生干涉和衍射，C 错误．在电磁波谱中， 最容易发生衍射现象的是无线电波，D 错误． 答案：ABE 6．解析：声波发生多普勒效应时，相应声源的振动频率不变，C 错；物体做受迫振动时， 驱动力的频率与物体的固有频率相同时，振幅最大，D 错． word 文档 - 22 - / 22 答案：ABE